Инженеры-механики из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе нашли новый способ изготовления бронежилетов из легкого эластомерного материала со сложной жидкокристаллической структурой. В результате броня стала «легче, прочнее и многоразовой», говорится в пресс-релизе университета. Это может изменить правила игры в не самом устойчивом мире бронежилетов.
Сунг Хун Канг — старший автор новой статьи, опубликованной в феврале в журнале Advanced Materials, — является частью Института экстремальных материалов Хопкинса (HEMI), созданного в 2012 году для изучения «науки, связанной с материалами и конструкциями в экстремальных условиях и демонстрации экстремальной производительности». Его проекты финансируются такими организациями, как Министерство энергетики США и Национальный научный фонд, с областями исследований, включающими такие, как поведение материалов в мантии Земли.
Мантия земли – крайне опасное место, с экстремальными температурам и давлениями. Бронежилет – приложение из совсем других исследований, но не мнее экстремальных. Поглощение выстрелов и распространение этой энергии таким образом, чтобы не навредить владельцу, — немалый подвиг. «Мы в восторге от наших выводов о чрезвычайной способности нового материала поглощать энергию», — говорит Канг в своем заявлении.
Идея материала, который может превзойти сегодняшние шлемы и автомобильные бамперы, возбудила любопытство Канга. Одной из основных областей для улучшения является деформация, то есть то, как сила удара выдавливает материал из формы. Подумайте о «зоне деформации» автомобиля, которая буквально предназначена для того, чтобы разрушаться, чтобы поглощать удар; вы точно сможете повторно использовать эту часть автомобиля, особенно в авариях на высокой скорости.
«Многие шлемы и ударопоглощающие материалы рассеивают энергию за счет неупругих механизмов, таких как пластическая деформация, разрушение и фрагментация. Однако эти материалы могут стать необратимо поврежденными после однократного использования и не подходят для повторного использования», — пишут исследователи.
Именно здесь в игру вступает идея метаматериалов. Метаматериал — это нечто, тщательно спроектированное на микроуровне, чтобы иметь свойства, которых не было бы у простого слоя фанеры или металла. Цель состоит в том, чтобы создать лучшую функциональность, начиная с атомарного уровня.
Исследователи объясняют, что их ключом здесь является «нестабильность упругой деформации», которую можно представить себе как своего рода отскок на атомном уровне. Подумайте о большой пружине, которая сгибается под давлением, но затем снова принимает форму. Коробление не обязательно должна быть односторонней деформацией, которая навсегда искажает материал. Он может накапливать энергию, которая повторно высвобождается, чтобы «вернуть» материал обратно в его истинную форму. «Этот структурный механизм улавливания энергии является масштабируемым и обратимым, что делает созданный материал пригодным для повторного использования», — объясняют исследователи.
В экспериментах команда создала метаматериалы, называемые жидкокристаллическими эластомерами (ЖКЭ). Эти материалы распределяют воздействие и рассеивают энергию идеальным образом для микроструктуры, необходимой для конструкции бронежилета. «Архитектурные материалы на основе ЖКЭ могут предоставить многообещающие возможности для энергопоглощающих метаматериалов для защиты от ударов и демпфирования», — объясняет команда. При тестировании материал хорошо выдерживал многократные удары объектов весом от 4 до 15 фунтов (~ 2 – 7 кг) со скоростью до 22 миль в час (~ 35 км/ч).